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微型飞行器桨翼气动干扰问题的数值模拟研究

邓双厚  
【摘要】:微型飞行器具有尺寸小,携带方便,起飞不受场地影响和在天空不易被发现等优点,被广泛的应用于军事和民用领域。由于微型飞行器尺寸的微型化,在低雷诺流场下表现出不同于常规飞机的气动特性。对于以螺旋桨为动力的固定翼微型飞行器来说,其螺旋桨尺寸相对于机翼尺寸的比值较大,因此高速旋转的螺旋桨产生的滑流对全机的影响显著。本文的主要内容是利用作用盘理论和嵌套网格理论对某一固定翼微型飞行器的桨翼气动干扰特性进行数值模拟研究。 低速、低雷诺流场的求解存在收敛慢、精度低的问题。一般情况下,低速流场气流被认为是不可压缩,一般采用不可压缩的方法以迭代的方式对速度和压力进行修正,最终满足连续性方程。对于流场中既有低速流动又存在高速流动的全速流场来说,直接利用不可压缩的方法得不到流场真实的流动情况,而用可压缩的方法会带来系统刚性问题。预处理方法通过在可压缩N-S方程中添加预处理矩阵以消除其系统刚性。 作用盘机理是将桨叶旋转扫过的平面用一个无厚度或者有一定厚度的圆盘来代替。通过对作用盘前后的气流参数的的处理来模拟螺旋桨工作,将滑流区域的非定常流场通过假设转化为准定常情况计算。本文发展了一种基于动量源理论的作用盘模型,在N-S方程中添加源项来实现盘前后压力、速度的变化,通过在微型飞行器上的应用表明,该模型具有模拟真实螺旋桨的能力。 嵌套网格技术通常用于处理存在几何变形和运动边界的流场情况,尤其对于大变形和大幅度运动的情况有较强的处理能力。本文将非结构嵌套网格技术应用到微型飞行器的桨翼气动干扰研究中,利用双时间步预处理技术队可压缩流场进行数值模拟。成功的捕捉了流场的非定常及其干扰特性。 通过比较两种方法都能够用于模拟螺旋桨的真实状态,作用盘理论模型简单,计算效率高对硬件的依赖性小;桨叶整体建模嵌套网格方法能够更加真实的模拟其非定常流场特性,计算效率低,对硬件的依赖高。对于计算精度来说,两种方法相差不大。


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